细胞外基质在无瘢痕修复和再生中的研究进展

徐晓霞 综述，雷泽源 审校

（第三军医大学新桥医院整形美容科，重庆400037）

细胞外基质（extracellular matrix，ECM）是由蛋白、水和化合物所构成的包裹在细胞外的复杂网状结构，其在发育、组织动态平衡，以及伤后恢复中起关键作用。但在损伤修复中，由于ECM的调控存在物种差异，即ECM在一些动物体内对细胞和可溶性成分动态响应可有效修复受损组织，而在另一些动物体内却引起非细胞瘢痕组织纤维化，这种现象与巨噬细胞有着密切的关系。本文基于ECM在损伤修复中的关键作用，探索ECM成分在组织再生治疗中的作用和策略，为组织修复和治疗提供了方法和策略。

1 ECM的简述

ECM是由蛋白、水和化合物所构成的复杂网状结构，其主要是定位在细胞的外部，用于包裹细胞。组成ECM蛋白质包括至少27个胶原蛋白、3种以上不同形式的纤维连接蛋白，4种腱糖蛋白，以及基膜限制的层粘连蛋白家族［1］。ECM组分中这些蛋白质家族可以相互作用。例如，纤连蛋白是含量最多的黏附基质成分，其具有与胶原蛋白Ⅰ、纤维蛋白、葡萄糖胺聚糖和整合素结合的位点［2］。纤连蛋白和其他ECM成分通过与膜结合整合素受体相结合，诱导细胞内信号通路及细胞功能的改变［3］。组成ECM的结构蛋白和大分子物质是构成细胞结构的重要组成部分。研究表明，ECM的组分可调节生长因子的释放、血管再生、组织病理改变和炎症应答等，对于机体修复和再生有非常重要的作用［4］。ECM组分的蛋白质组合既可通过细胞受体，提供黏性基质，以提高细胞的黏附性，又可在需要的情况下形成光滑基质，以便细胞迁移。而ECM环境则可影响细胞间的通讯方式，从而促进或限制细胞迁移、定位，以及影响信号转导环境。在发育过程中，ECM的构成可根据所处微环境及祖细胞群的情况进行动态的调整，以适应细胞间通讯、细胞迁移等不同需求［5］。大量研究指出，ECM同样影响着干细胞/祖细胞的细胞极性、屏障功能及其微环境，这对于维持一个复杂机体的稳定是非常重要的。因此，ECM的组分可通过精确调控，在成人组织修复中扮演关键角色，其被认为是决定修复过程的效率和质量的关键因素之一［1］。ECM组分和炎症组织之间维持动态关系，以便于免疫细胞可以降解ECM分子和调控ECM相关分子的表达。当ECM分子被免疫细胞降解后，进而激活免疫细胞信号通路，并释放细胞因子［6］。

一些非哺乳类脊椎动物在许多组织中可以进行无瘢痕修复，而哺乳动物对于组织损伤的修复常常会产生瘢痕［7］。即使哺乳动物肌肉的再生功能较强，但许多情况下发生的损伤，哺乳动物会用形成瘢痕组织的非细胞纤维化ECM基质代替损伤组织。在修复轻微皮肤伤口时形成的瘢痕，对机体的影响极小，但是心脏或脊髓损伤形成的瘢痕可能会导致严重功能后果，甚至死亡。这些结果说明了复杂结构的再生，以及瘢痕形成的起始过程看来是截然相反的。本文通过对ECM组分在无瘢痕修复再生中的特性的综述，以便用于探索人类伤口愈合和组织再生潜力的调控方式。

2 ECM动态改变在组织修复中的作用

在蝾螈和斑马鱼的组织再生，包括截肢、心脏的心室切除、尾鳍甚至脊椎的损伤后的修复及再生中，ECM为了满足伤口愈合、祖细胞形成、增殖，以及替代结构再发育的需求而进行动态调节［7］。研究指出ECM的动态调节在蝾螈的无瘢痕皮肤修复和肢体再生的修复过程中发挥着关键作用：无论是切断了神经、软骨结构、血管、肌肉，还是结缔组织和皮肤，受损的组织均向血液中释放大量因子，以启动凝血级联和补体系统，形成了一个纤维蛋白凝块［8］。同时上皮细胞迅速迁移到凝块上方，真皮成纤维细胞紧随其后，在上皮细胞和成纤维细胞下面形成暂时性的ECM基质，为干细胞聚集和生长因子释放及储存提供了良好的微环境。当炎症环境将白细胞募集到损伤部位后，其分泌多种蛋白酶，如基质金属蛋白酶（MMP），便可将ECM基质进行分解，使生长因子和其他配体释放出来，激活相关细胞的胞内外信号通路，进而发挥相关细胞生物学功能。

此外，ECM中组分的动态变化也为影响修复过程中干细胞的功能和分化［5］。在干细胞中，ECM的伸缩性影响到整合素的活化和转运，从而影响到对调节整合素骨形态发生蛋白（BMP）受体内在化［9］。其他研究指出使用人造生物材料ECM支架时，其支架的化学性质不仅影响干细胞的分化，而且其物理性质，例如孔径大小，纤维直径，ECM硬度，以及化学交联都会对细胞命运产生重大影响［10］。当间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSCs）在特定的ECM基质上生成，其细胞的分化、功能与自然状态下生长在类似基质中MSCs分化和功能相近［11］。

3 组织修复过程中ECM调控存在物种差异

斑马鱼和蝾螈皮肤受损修复后可以恢复到与正常组织结构一样，并且不会留下瘢痕，但人类及常见小家鼠的修复过程则会留下瘢痕［12－13］。其可能有如下原因：（1）哺乳动物皮肤中上皮/角化细胞的迁移发生在伤口凝块之下，蝾螈的上皮细胞迁移发生在凝块上面。（2）在肉芽组织及组织修复阶段，哺乳动物创口的基质改变过程与蝾螈不同。一般说来，创口修复中基质开始形成是在纤维蛋白和纤维连接蛋白组成富含支架的透明质酸分子之后。当透明质酸分子吸引水分后，使得基质膨胀，并逐渐被胶原蛋白Ⅲ替代。对于大多数哺乳动物来说，透明质算在修复早期就被胶原蛋白Ⅲ取代，并转变为胶原蛋白Ⅰ，与富含硫酸肝素蛋白多糖、软骨素/皮肤素蛋白多糖形成非细胞瘢痕。相比之下，在蝾螈皮肤伤口修复和肢体再生过程中，基膜形成，胶原蛋白Ⅰ的合成和交联都被延迟，直到修复的最晚期。

4 巨噬细胞调控ECM是组织修复的关键环节之一

在伤口修复中，巨噬细胞是ECM分解、成纤维细胞激活、控制血管生成，以及外周神经支配分布的重要调控因素［14－16］。巨噬细胞控制成纤维细胞功能，间接调节炎症，直接调节成纤维细胞胶原蛋白的生成［17］。一些巨噬细胞亚类也可以将成纤维细胞转化为肌成纤维细胞［18］。研究表明在蝾螈体内系统性中去除巨噬细胞会彻底阻碍肢体再生，结果导致ECM及胶原蛋白大量沉积，在肢体末端形成巨大瘢痕。蝾螈有形成肌成纤维细胞的能力，但其功能却受到巨噬细胞的抑制，而在大多数成熟的哺乳动物的巨噬细胞却没有产生同样的抑制功能，这可能是由于在哺乳动物伤口愈合过程，免疫细胞对感染控制的优先于重新完全恢复ECM结构，使巨噬细胞没有发挥抑制功能，导致瘢痕的形成［19］。有趣的是，研究指出在发育早期，哺乳动物胚胎伤口愈合也是无瘢痕修复。最近研究发现新生小鼠的心脏在进行切除术或缺血性心脏损伤后也可完全修复，而这一过程中的一个显著的特征是ECM的大量合成。但当新生小鼠去除巨噬细胞之后，心脏产生少量的ECM，并且不能进行无瘢痕修复缺血性心脏的损伤，在心脏损伤部位产生了纤维状瘢痕，导致了心脏功能的降低［20］。上述研究说明新生小鼠心脏修复中，巨噬细胞可能通过调控ECM的合成而影响修复过程和结果。巨噬细胞调控ECM的机制研究虽未完全明确，但目前的研究主要集中在巨噬细胞亚群的分类，激活途径及激活后的功能上。根据激活因子及激活后巨噬细胞合成、分泌的活性物质不同将巨噬细胞分为两大类［21］，经典激活的巨噬细胞和选择性激活的巨噬细胞。巨噬细胞的经典激活需要2个信号的刺激，第1个刺激信号是IFN－γ，第2个刺激信号是肿瘤坏死因子（TNF）或脂多糖（LPS）等细菌产物；经典激活的巨噬细胞高表达TNF、白细胞介素（IL）－12等促炎症因子，具有明显的促炎症效应；而选择性激活的巨噬细胞主要是由IL－4或糖皮质激素激活，激活后高表达IL－10等抗炎因子及TGF－β促纤维化因子，具有明显的抗炎及促纤维化效应。而最新的实验研究中Lu等［22］发现在大鼠烧伤模型中注射氯膦酸盐脂质体（一种抗骨质疏松症药，可用于局部去除巨噬细胞和全身去除巨噬细胞），通过降低巨噬细胞数量及其相关的TGF－β1表达，可以减少组织修复中胶原沉积和瘢痕形成。可见巨噬细胞在组织修复中调控ECM的关键作用。

5 ECM在再生医学中的应用

近年来，再生医学整合多学科资源，经历了重大进步，既使用细胞信号通路和ECM动态平衡之间相互作用的理论来构造人造ECM支架等生物修复材料。通常来说，生物材料需要模仿健康组织中正常状态的ECM，以提高生物材料与组织间的生物兼容性、最大程度上降低免疫原性及生物降解性［23］。此外，由于细胞对于不同的ECM组分均有相应的整合素受体。因此通过构建特殊成分的ECM，使目的细胞的整合素受体内化及激活相关信号通路，从而使目的细胞在损伤修复过程的有益的生物学功能得到充分发挥，而降低对组织修复不利的因素［24］。胶原蛋白Ⅰ由于其普遍适应性和结构适应性被认为是人工合成ECM中的首要组分［25］。同时根据构建ECM支架等生物材料的一些生物化学和生物物理学特性，允许其加入其他修饰或因素，以提升支架性能。这种修饰类型多种多样，例如纤维连接蛋白序列的整合以推进大脑组织工程中的神经突触生长［26］；成纤维细胞和血管内皮生长因子的转运，以增强血管再生；骨缺陷修复使用的母体，其中含有干细胞和诱导分化的细胞因子，可以促进骨组织的修复［27］。其他研究已经证实特定的ECMs组分可调控细胞的增殖、分化和存活信号通过［28］，从而影响细胞的功能，这说明组织内的ECM具有引导发育和再生潜在作用。因此，进一步研究ECM组分在组织细胞中的功能和机制，有利于设计、探索新的临床治疗的手段和策略。

6 结论和展望

ECM对于细胞功能、迁移，以及修复质量的重要影响在近些年来已经获得认可。对ECM的调控，从而改变机体修复过程和提高某些组织的再生潜力，有望成为在成熟哺乳动物机体上进行无瘢痕修复和组织再生的重要策略和手段。同时细胞与特定组分的ECM之间的动态相互作用也将成为未来设计用于再生治疗的生物材料和人造支架的重要因素。通过对再生过程各个阶段ECM组织、特性的了解，可以为更深入了解再生机制和合理设计治疗性再生和修复提供理论基础。

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